[发明专利]一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法

说明书

本发明公开了一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，该方法通过对叶片气动载荷与端区落后角的调整，具体通过将各叶型截面的叶片安装角设置为比叶片出口几何角小10～30°，使得叶型负荷分布呈现后加载特征，通过将叶片式预旋喷嘴上下端区叶型的安装角相比其他区域减小1～10°，上下端区叶型的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，以及将叶中叶型截面的安装角相比其他区域增大1～10°，实现对叶片式预旋喷嘴端区落后角进行修正。本发明通过增大叶片安装角进而使得叶型负荷分布呈现后加载特征，降低叶片式预旋喷嘴端区通道涡系结构强度及损失，改善叶片式预旋喷嘴出口气流均匀性，提高预旋系统的流量系数和预旋效率。

技术领域

本发明涉及航空发动机预旋冷却系统应用领域，尤其涉及一种用于预旋冷却系统的低阻高效叶片式预旋喷嘴设计方法。

背景技术

随着航空发动机性能的不断提升，涡轮前温度随之不断提高，导致涡轮部件承受着越来越严酷的热负荷，因而需要对高温部件进行高效冷却。预旋系统作为向涡轮转子叶片提供适宜压力、温度冷却气体的部件系统，因其具有较大降温潜力成为国内外的研究热点。作为预旋系统核心部件之一的预旋喷嘴，其性能的优劣直接决定了预旋系统的流阻与温变特性，进而影响涡轮转子叶片冷却效果。目前，叶片式预旋喷嘴是公认性能最好的预旋喷嘴之一，然而受限于发动机结构约束，叶片式预旋喷嘴的展弦比较小，通常小于0.5，导致叶片式预旋喷嘴的端区粘性损失较大，进而增大了预旋系统的流阻；此外，叶片气流落后角增大，降低了预旋效率，减弱了预旋系统的温降效果。上述因素共同作用恶化了涡轮转子叶片的冷却效果，从而影响涡轮部件的安全工作。针对上述问题，亟需寻求一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，达到降低预旋系统流阻、提高预旋系统温降、进而提升涡轮转子叶片冷却性能的目的。

发明内容

(一)技术问题

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明要解决的技术问题是提供一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，通过对叶片式预旋喷嘴气动载荷的调整以及叶片端区落后角的修正，降低叶片式预旋喷嘴的流动损失，提升叶片式预旋喷嘴的预旋效率，提高叶片式预旋喷嘴的温降效果，进而实现涡轮转子叶片的高效冷却。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：

SS1.沿叶片高度方向确定位于不同叶高位置的N个叶型截面，其中，N≥3，所述N个叶型截面中至少包括一叶顶叶型截面、一中径叶型截面和一叶根叶型截面，且各所述叶型截面的形状轮廓相同并具有相同尺寸，每一所述叶型截面均包括吸力面型线和压力面型线，所述吸力面型线和压力面型线上均设有三个以上的控制点，且所述吸力面型线和压力面型线通过叶型前缘、叶型尾缘的圆弧光滑连接；

SS2.沿叶片高度方向将所述N个叶型截面进行三维积叠形成叶片式预旋喷嘴的初始构型，在进行叶片的三维积叠过程中，各所述叶型截面具有相同的叶片安装角、叶片进口几何角和叶片出口几何角，所述叶片安装角比叶片出口几何角小10～30°；

SS3.以步骤SS2积叠形成的叶片式预旋喷嘴初始构型为基础，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片安装角相比其他区域减小1～10°，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，将位于叶片中部的中径叶型截面的叶片安装角相比其他区域增大1～10°，获得最终的叶片式预旋喷嘴构型。

在航空发动机涡轮预旋系统中采用叶片式预旋喷嘴，其目的在于提升冷质预旋系统的性能。发明提供的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法中，通过对叶片式预旋喷嘴气动载荷的调整，降低叶片式预旋喷嘴端区粘性损失，减少冷质预旋系统的流动阻力，进而降低供气压力。